JP5535226B2 - 直流電動機、および、直流電動機の駆動方法 - Google Patents

直流電動機、および、直流電動機の駆動方法 Download PDF

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Description

本発明は、請求項1の上位概念記載の直流電動機、および、請求項2の上位概念記載の直流電動機の駆動方法に関する。
従来技術
いわゆるブラシレスセンサレス直流電動機は、少なくとも1つの永久磁石を備えたロータと、少なくとも3つのステータコイルを備えたステータと、ロータの回転位置を求め、この回転位置に応じてステータコイルへの通電を開始する制御装置とを備えており、ここで、制御装置は、高回転数領域では、少なくとも3つのステータコイルのうちいずれかに誘導される電圧に基づいて回転位置を求めるように構成されている。
ただし、当該の直流電動機には、回転数が低い場合に充分な電圧をステータコイルに誘導できないという欠点がある。この場合、ロータの回転位置を求めることができない。このため、ステータコイルは、電動機が徐々に回転数が上昇する方向へ動作しているときの低回転数領域では、いわば"盲打ちで"切り換えられるので、ステータコイルの通電が電動機の加速をもたらさず、ロータが停止してしまうことがある。この場合、ロータは少なくとも長い時間をかけないと高回転数領域へ移行しない。
発明の開示
本発明の課題は、冒頭に言及した形式の直流電動機および直流電動機の駆動方法において、低回転数領域においても直流電動機をロータの回転位置に基づいて制御できるようにすることである。
この課題は、請求項1記載の特徴を有する直流電動機、および、請求項2記載の特徴を有する直流電動機の駆動方法により解決される。
本発明の直流電動機では、制御装置が、低回転数領域で、いずれかのステータコイルに電圧が印加されたときの電流に基づいて回転位置を求めるように構成されている。低回転数領域とは、一般に、回転位置を求めるのに充分な電圧がステータコイルに誘導されない下方の回転数領域であって、典型的には500回転/minより低い領域のことであり、高回転数領域とは、典型的にはロータ回転数が500回転/minより高い領域のことである。本発明では、低回転数領域の回転数を求める別個のセンサを設けなくてよいので有利である。また、直流電動機は、理想的には、2次磁極モータ(コンシクエントポールモータ)である。
本発明はさらに直流電動機の駆動方法に関しており、本発明の方法は、低回転数領域において、いずれかのステータコイルに所定の電圧を印加するステップと、電圧の印加されたステータコイルの電流を求めるステップと、この電流の特性に基づいてロータ位置を求めるステップと、求められたロータ位置に基づいてステータコイルへの通電を行うステップとを有する。本発明において"電流を求める"とは、電流の数値を精確に算出することを意味するが、電流に比例するパラメータのみを算出することであってもよい。
本発明の有利な実施形態では、少なくとも1つの第2のステータコイルに所定の電圧が印加され、この第2のステータコイルの電流が求められ、求められた電流の特性に基づいて回転位置が求められる。これにより、ロータが複数の異なる回転位置に位置しているか否かが識別される。
本発明の別の有利な実施形態では、印加される所定の電圧は電圧パルスである。当該の電圧パルスは典型的には数100μsの持続時間を有する。これにより、ロータの回転位置を精確に求めることができる。また、回転位置を求めるには直流電動機の通常動作を一時的に中断しなければならないが、その時間を1回限りの短いものにすることができる。
本発明の別の有利な実施形態では、電圧パルスが反復して印加され、その際に、反復の時間間隔が徐々に低下される。これにより、電圧パルスの印加の反復の時間間隔がロータの回転数の増大分に適合化される。
本発明の別の有利な実施形態では、印加される所定の電圧の極性が反転され、極性反転された電圧に対してステータコイルの電流が求められ、求められた電流の特性に基づいて回転位置が求められる。有利には、極性反転された電圧も、極性反転されない電圧パルスと同じ持続時間を有する電圧パルスである。相互に反対の極性を有する2つの電圧パルスを用いることにより、ロータの回転数への影響をきわめて小さくすることができる。
本発明の別の有利な実施形態では、所定の電圧および極性反転された電圧に対する各ステータコイルでの電流増大分の値がそれぞれ加算されて電流増大分の和が形成され、電流増大分の和の最大値と他の電流増大分の和とが比較されて、回転位置が求められる。このようにすれば、電流のオフセット誤差が抽出される。また、比較の基準を設定する際にトレランスを適切に設定すれば、ロータの回転位置の存在する角度領域を検出することができる。
本発明の別の有利な実施形態では、高回転数領域で回転数を求める際に、ステータコイルのうちいずれかに誘導される電圧と同じ電圧値が、電気角360゜の整数倍(少なくとも2倍)に対して、求められる。ここでの電圧値は同じロータ位置に対する電圧値である。これにより、ロータの極間に偏差があっても回転位置の検出に影響しないことが保証される。
通電装置を備えた直流電動機の概略図である。 図1の通電装置を備えた直流電動機の詳細図である。 図1の直流電動機の電圧比較器を示す図である。 図1の直流電動機の電圧増幅器を示す図である。 Aは電気角αel=0゜のときの直流電動機、Bは電気角αel=120゜のときの直流電動機、Cは電気角αel=240゜のときの直流電動機を示す図である。 誘導電圧の振幅と電気角との関係を示すグラフである。
本発明を以下に図示の実施例に則して詳細に説明する。
図1には、通電装置2を備えた直流電動機1の概略図が示されている。こうした直流電動機は例えば車両の冷却剤ポンプに対して用いられる。
通電装置2は電流線路3,4,5を介して直流電動機1への通電を行う。通電装置2は、制御回路6、チャージポンプを備えたドライバ回路7、複数のスイッチングトランジスタを備えた切換装置8、電圧比較器9および電圧増幅器10を含む。さらに、通電装置2には、電圧制御回路11、誤接続保護回路12,過電圧保護回路13、コンデンサ14および抵抗15も設けられている。コンデンサ14はステータコイルの誘導負荷によってフィードバックされるエネルギをバッファリングする(図2を参照)。抵抗15は小さい抵抗値を有しており、当該の抵抗15を通ってアース端子へ流れる電流が電圧増幅器10によって増幅されることが保証される。誤接続保護回路12は、給電電圧Vrefが誤った極性で接続されて通電装置2が損傷することがないように保護する手段である。電圧制御回路11は制御回路6に印加される電圧を所定の値へ制御する。過電圧保護回路13は、ドライバ回路7が過電圧によって損傷しないように保護する手段である。制御回路6はドライバ回路7を電圧比較器9の信号または電圧増幅器10の信号に依存して制御する。ドライバ回路7は切換装置8の各スイッチングトランジスタがオンオフするようこれらのスイッチングトランジスタへ適切な電圧を印加する。
図2には、図1の直流電動機1および切換装置8の詳細図が示されている。直流電動機1は6つの鉄心突出部17を備えた鉄心16を有しており、鉄心突出部17にはそれぞれステータコイルu,v,w,u’,v’,w’のいずれか1つが60゜ずつずらされて巻き回されている。ステータコイルu,v,w,u’,v’,w’はそれぞれ直列に接続された2つのステータコイルから成る3つのコイル対uu’,vv’,ww’を形成しており、各コイル対のコイルは180゜ずつ、ずれている。各コイル対uu’,vv’,ww’の第1の端部はドライバ回路7によって閉成または開放される2つのスイッチングトランジスタT1,T2またはT3,T4またはT5,T6へ接続されている。スイッチングトランジスタT1,T3,T5は各コイル対を電圧Vrefの高電位側に接続するかまたはこの高電位側から分離する。スイッチングトランジスタT2,T4,T6は各コイル対を接続点25の低電位側に接続するかまたはこの低電位側から分離する。各コイル対uu’,vv’,ww’の第2の端部は相互に接続されている。
2つの永久磁石27を備えたロータ26は回転位置αel=0゜に位置している。このとき電気角αel=360゜は機械角αmec=180゜に相当し、各ステータコイルu,v,w,u’,v’,w’はロータ26の完全な1回転で所定の極性を有する磁極を2回通過する。S極の磁極は永久磁石27の外側に位置しており、反対のN極の磁極は2つの永久磁石27のあいだに位置している。こうした直流電動機は2次磁極モータ(コンシクエントポールモータ)と称される。スイッチングトランジスタT1は、電気角αelが30゜から150゜までオンとなる。スイッチングトランジスタT2は、電気角αelが210゜から330゜までオンとなる。スイッチングトランジスタT3は、電気角αelが150゜から270゜までオンとなる。スイッチングトランジスタT4は、電気角αelが330゜から90゜までオンとなる。スイッチングトランジスタT5は、電気角αelが270゜から30゜までオンとなる。スイッチングトランジスタT6は、電気角αelが90゜から210゜までオンとなる。つねに2つずつのトランジスタがオンとなるので、そのつど電流は2つのコイル対を通って流れることになる。
図3には、図1の電圧比較器9の詳細図が示されている。電圧比較器9は同じタイプの3つの比較回路18,19,20を含んでおり、各比較回路18,19,20は、各コイル対uu’,vv’,ww’に対応する電流線路3,4,5に印加される電圧と、星形接続点21にかかる電圧、すなわち、3つの電流線路の電圧の和に依存する電圧とを比較する。比較回路18は複数の抵抗R1,R2,R3,R4,R5,コンデンサC1,C2,C3およびオペアンプOP1を含んでおり、他の比較回路19,20も同様である。前述したように、通常動作では、交番的に、つねに2つのコイルのみに通電が行われる。通電される2つのコイルにかかる電圧は、通電されない第3のコイルの誘導電圧がゼロ交差した時点で、同じ絶対値および反対の極性を有する。星形接続点21にはゼロ交差の際に内部電圧0V、すなわちここではVref/2として定義される電圧がかかる。また、ゼロ交差によって電圧は符号を反転させるので、通電されない第3のコイルに対応するオペアンプOP1の出力側22(または出力側23,24)の電圧の符号も反転する。接続点22,23,24にかかる電圧は制御回路6へ供給される。
図4には、図1の電圧増幅器10の詳細図が示されている。電圧増幅器10は複数の抵抗R6,R7,R8,R9,R10,R11,コンデンサC4および2つのオペアンプOP2,OP3を含む。抵抗R8,R11あるいは抵抗R9,R10はそれぞれ同じ大きさである。接続点25,28,29は図1に示されている点である。抵抗R6と抵抗R7とは同じ大きさであり、このため、第1のオペアンプOP2の非反転入力側および出力側に電圧Vref/2(内部電圧0V)が印加される。接続点25および接続点29に同じ電圧が印加される場合、図1の抵抗15に電流は流れず、接続点28に内部電圧0Vがかかる。第2のオペアンプOP3は反転増幅器として設けられており、当該の第2のオペアンプOP3の出力側、ひいては接続点28には、図1の抵抗15を介して、電流方向にしたがって比例電圧がかかり、これが制御回路6の動作に用いられる。
回転数上昇時には、直流電動機1の通常動作が低回転数領域で検査休止期間により中断される。検査休止期間にはコイル対uu’,vv’,ww’のそれぞれに対して相互に反対極性の2つの電圧パルスが順次に印加される。各電圧パルスは全て同じ長さ、同じ振幅を有する。相互に反対極性を有する2つの電圧パルスを印加することにより、生じうるオフセットエラーが補償される。さらに、ロータ26の運動の影響がほとんどなくなる。
コイル対uu’に対しては、第1の電圧パルスのあいだトランジスタT1,T4,T6がオンとなり、第2の電圧パルスのあいだトランジスタT2,T3,T5がオンとなる。各電圧パルスは数100μsの持続時間を有する。ロータ26は全検査休止期間にわたってほぼ同じ回転位置に位置する。コイル対vv’に対しては、第1の電圧パルスのあいだトランジスタT3,T2,T6がオンとなり、第2の電圧パルスのあいだトランジスタT4,T1,T5がオンとなる。コイル対ww’に対しては、第1の電圧パルスのあいだトランジスタT5,T2,T4がオンとなり、第2の電圧パルスのあいだトランジスタT6,T1,T3がオンとなる。したがって、そのつどいずれかのコイル対を通って全電流が流れ、この全電流が他の2つのコイル対へ分割される。
図5のA,B,Cには、電気角αel=0゜,αel=120゜,αel=240゜のときの直流電動機1において、通電されているコイル対uu’によって形成された磁界の磁力線特性が示されている。ロータ26の回転位置にしたがって、永久磁石27を貫通する磁力線が多くなったり少なくなったりする。これにより、コイル対uu’のインダクタンスが変化する。回転位置αel=0゜ではコイル対uu’内の電流が電圧パルスに対して迅速に上昇し、回転位置αel=120゜または回転位置αel=240゜では緩慢に上昇する。この電流値に比例する電圧値が制御回路6へ供給される。制御回路6はロータ26が回転位置αel=0゜に位置しているか否かを求める。同様に、制御回路6はロータ26が回転位置αel=120゜またはαel=240゜に位置しているかどうかを求める。回転位置を求めるために、制御回路6は、まず、第1の電圧パルスおよび第2の電圧パルスに対する各コイル対uu’,vv’,ww’の電流増大分の値を求める。次に、制御回路6は各コイル対に対する2つの値を加算して、電流増大分の和を形成する。ついで、制御回路6は3つの電流増大分の和のうちの最大の和の値と、残りの2つの和の平均値とを求め、当該の和の平均値を最大の和の値から減算し、その差と所定の閾値とを比較する。差が閾値よりも大きい場合には、ロータ26は最大の和の値を有する電流が流れているステータコイルの配置された回転位置にあることになる。当該の閾値を適切に選定することにより、回転位置の角度領域を制限したり増大したりすることができる。そして、制御回路6は、検出された1つまたは複数の回転位置からロータ26がどの時点で所定のトランジスタをオンオフする回転位置にあるかを計算し、所定のトランジスタが所望にしたがって定められた回転位置でオンオフされるように、ドライバ回路7をトリガする。
検査休止期間は、低回転数領域では、連続的に反復される。この場合、検査休止期間の時間間隔は、回転位置の算出が回転数の増大に適合するように、連続的に低減される。所定の時間の経過後、直流電動機2は500回転/minより大きい高回転数に達する。迅速に回転するロータ26の磁界により、コイル対uu’,vv’,ww’に測定可能な電圧が誘導される。制御回路6は、前述したように、誘導電圧のゼロ交差を、出力側22,23,24での電圧の符号反転によって識別するので、ロータの回転位置を検出するために直流電動機の通常動作を中断する必要はない。こうしたゼロ交差は、所定の電気角αelに相当する。
図6には、誘導電圧の振幅が電気角に関して示されている。制御回路6は、連続的に検出されるゼロ交差から回転数を計算し、この回転数および所定の電気角αelから、ロータ26がどの時点で所定のトランジスタのオンオフされる回転位置にあるかを推論する。ここで、制御回路6は、永久磁石27のあいだに配置された磁極(図2のN極)でなく、永久磁石27の前方にシャープに定義された磁極(図2のS極)のみを利用する。回転数を求めるために、制御回路6は、有利には、ロータ26の完全な1回転(360゜)、すなわち、所定の磁極に対応するゼロ交差どうしを比較する。ここで、制御回路6は、シャープに定義された2つの磁極に対応するゼロ交差を分析し、できるだけ多くのデータからロータ26の回転位置と時間との関数関係を求める。シャープに定義された2つの磁極はロータの180゜回転ぶんだけずれている。このように、制御回路6は、所望にしたがって定められた回転位置で所定のトランジスタがオンオフされるように、ドライバ回路をトリガする。

Claims (5)

  1. 少なくとも1つの永久磁石(27)を有するロータ(26)と、
    少なくとも3つのステータコイルを有するステータ(16)と、
    前記ロータ(26)の回転位置を求め、該回転位置に応じて前記ステータコイルへの通電を開始する制御装置(6)と
    を備え、
    前記制御装置(6)は、高回転数領域では、前記少なくとも3つのステータコイルのうちいずれかに誘導される電圧に基づいて回転位置を求めるように構成されている、
    直流電動機(1)において、
    前記制御装置(6)は、低回転数領域では、前記少なくとも3つのステータコイルの各ステータコイルに電圧パルスを印加し、該電圧パルスの印加を別のステータコイルで反復し、印加の時間間隔を徐々に低下させ、前記電圧パルスの印加されたステータコイルの電流を求め、該電流の特性に基づいてロータ位置を検出するように構成されている
    ことを特徴とする直流電動機。
  2. 少なくとも1つの永久磁石(27)を有するロータ(26)と、少なくとも3つのステータコイルを有するステータ(16)とを備え、低回転数領域から高回転数領域へ移行しつつ動作する直流電動機の駆動方法であって、
    前記ロータ(26)の回転位置に応じて前記ロータ(26)を駆動するための前記ステータコイルへの通電を開始し、高回転数領域では前記少なくとも3つのステータコイルのうちいずれかに誘導される電圧に基づいてロータ(26)の回転位置を求める、
    直流電動機の駆動方法において、
    低回転数領域では、
    前記少なくとも3つのステータコイルの各ステータコイルに電圧パルスを印加し、該電圧パルスの印加を別のステータコイルで反復し、印加の時間間隔を徐々に低下させるステップと、
    前記電パルスの印加されたステータコイルの電流を求めるステップと、
    該電流の特性に基づいてロータ位置を検出するステップと、
    検出されたロータ位置に基づいてステータコイルへの通電を行うステップと
    を含む
    ことを特徴とする直流電動機の駆動方法。
  3. 前記ステータコイルはコイル対から成り、1つのステータコイルのコイル対に対し、所定の電圧パルスと該所定の電圧パルスの極性を反転させて形成された別の電圧パルスとを、前記電圧パルスとして印加し、前記所定の電圧パルスおよび前記別の電圧パルスに対して前記ステータコイルの電流を求め、該求められた電流の特性に基づいて前記回転位置を求める、請求項記載の直流電動機の駆動方法。
  4. 前記所定の電圧パルスおよび前記別の電圧パルスに対するそれぞれのステータコイルでの電流増大分の値を加算して電流増大分の和を形成し、形成された電流増大分の和の最大値と他の2つの和の値とを比較して前記回転位置を求める、請求項記載の直流電動機の駆動方法。
  5. 高回転数領域では、回転数を求めるために、前記ステータコイルのうちいずれかに誘導される電圧と同じ電圧値が、電気角360゜の整数倍に対して求められる、請求項2からまでのいずれか1項記載の直流電動機の駆動方法。
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